Chuyên san Kỹ thuật Công trình đặc biệt Số 01/Tạp chí Khoa học & Kỹ thuật Số 195 (12 2018) Học viện KTQS 55 ẢNH HƯỞNG CỦA SAI SỐ LẮP DỰNG ĐẾN NỘI LỰC VÀ CHUYỂN VỊ CỦA KẾT CẤU KHUNG THÉP NHÀ CÔNG NGHIỆ[.]
Trang 1ẢNH HƯỞNG CỦA SAI SỐ LẮP DỰNG ĐẾN NỘI LỰC
VÀ CHUYỂN VỊ CỦA KẾT CẤU KHUNG THÉP NHÀ CÔNG NGHIỆP
Trần Nhất Dũng * , Nguyễn Văn Hiếu
Học viện KTQS
Tóm tắt
Bài báo nghiên cứu đánh giá mức độ ảnh hưởng của sai số lắp dựng giữa các bộ phận của kết cấu nhà thép tiền chế dạng khung Zamil Sử dụng phần mềm Vn3DNC được tác giả lập trình theo phương pháp lý thuyết phần tử hữu hạn, mức độ ảnh hưởng này đến nội lực và chuyển vị của kết cấu khung thép nhà công nghiệp được xác định về định tính và định lượng, làm cơ sở đưa ra các khuyến nghị cho các thiết kế kết cấu tương tự
Từ khóa: Nội lực; chuyển vị; sai số lắp dựng; kết cấu khung thép; nhà công nghiệp
1 Đặt vấn đề
1.1 Khung thép Zamil trong thiết kế kết cấu nhà công nghiệp
Nhà thép dạng khung Zamil hay còn gọi là khung thép tiền chế hiện được sử dụng phổ biến trên thế giới và cả ở Việt Nam Nhờ các ưu điểm vượt nhịp lớn, thi công nhanh,
có thể tháo lắp di dời, giá thành hợp lý kết cấu này được ưa chuộng trong các công trình dân dụng và công nghiệp; các nhà xưởng, nhà thi đấu thể thao
Đặc điểm của khung Zamil là các cấu kiện khung (kèo, cột) đều được chế thức sẵn tại nhà xưởng, sau đó mới được vận chuyển và lắp dựng tại công trường Các khung thép tiền chế thường được thiết kế tương tự nhau (để dễ lắp dựng), chúng cũng khá độc lập nhau, và hoàn toàn có thể tính toán theo mô hình khung phẳng
Móng cho các khung nhà công nghiệp thường được thiết kế dưới dạng móng đơn hoặc móng băng giao nhau Khi chế tạo móng, các bu lông móng được chôn sẵn trong
bê tông và có phần chờ nhô lên để sau này liên kết với chân cột thép
Hình 1 Lắp đặt kèo vào đỉnh cột
*
Emai: trannhatdung01@gmail.com https://doi.org/10.56651/lqdtu.jst.v1.n01.392.sce
Trang 2Trình tự lắp dựng kết cấu khung Zamil luôn là lắp các cột trước, kiểm tra căn chỉnh cột, sau đó mới lắp đến các đoạn kèo Các đoạn kèo nếu không quá dài có thể được lắp dựng trước trên mặt đất, sau đó được cẩu toàn bộ lên cao và liên kết với đỉnh cột bằng bu lông Sau khi lắp đặt được khung đầu tiên, người ta phải sử dụng các dây cáp neo giữ cho khung, trong quá trình chờ lắp các khung khác Khi có 02 khung trở lên
thì một số xà gồ, thanh giằng sẽ được lắp để tạo hệ khung cứng theo phương ngang
1.2 Sai số lắp dựng khung thép Zamil
Việc lắp dựng thường không tránh khỏi những sai số nhất định, nhỏ thì là vài mm lớn có thể đến hàng chục mm Khi đó, người ta thường phải sử dụng kích hoặc néo (gia tải) để nắn cấu kiện về đúng vị trí Việc làm này tuy là được phép, nhưng cũng khiến cho kết cấu bị rơi vào trạng thái ứng suất trước Các ứng suất trước này nếu cùng phương với ứng suất do tải trọng sử dụng gây ra có thể gây bất lợi, thậm chí khiến cho kết cấu bị phá hủy mặc dù ngoại tải chưa đến giới hạn thiết kế
Sai số lắp đặt tại hiện trường luôn là nguy cơ khó kiểm soát, đây cũng là dạng sai
số luôn tồn tại và có trị số tương đối lớn so với sai số chế tạo trong nhà xưởng Các sai
số này cũng là nguyên nhân quan trọng làm giảm chất lượng và tuổi thọ công trình Một
số nguyên nhân dẫn đến các dạng sai số này có thể chỉ ra là:
- Sai số do phần thi công móng để lại: Đây là dạng sai số phổ biến nhất, công trình nào cũng có Do đặc điểm của công tác thi công BTCT, nên khi thi công móng và cấy ghép bu lông móng, do quá trình đầm nén bê tông các bu lông có thể bị xô lệch, bị nghiêng; cao trình của mặt móng, của phần ren trên bu lông giữa các móng khác nhau cũng có thể lệch nhau từ vài đến vài chục mm Đây cũng là sai số ảnh hưởng lớn đến nội lực và chuyển vị trong kết cấu cột và kèo thép
- Sai số do vận chuyển cấu kiện đến công trình: Quá trình vận chuyển luôn khiến cho cấu kiện bị biến dạng, cong vênh Sau khi nghiệm thu tại hiện trường, thông thường đơn vị thi công bao giờ cũng có quá trình hiệu chỉnh tại chỗ trước khi cho lắp dựng Tuy nhiên, điều kiện ở công trường thường không tốt như trong nhà xưởng, nên quá trình phát hiện và hiệu chỉnh sai số đều không thể đạt như đối với nhà xưởng
- Sai số do quá trình lắp dựng và cân chỉnh: Sau khi lắp dựng sơ bộ các nhà thầu thường tiến hành cân chỉnh cao độ, tầm và hướng cho từng khung, từng cấu kiện sau đó mới xiết chặt bu lông đến mô men lực thiết kế Tuy nhiên, khi tất cả các cấu kiện đã được dựng lên, việc căn chỉnh luôn gặp khó khăn và thường phải chấp nhận sai số này như một phần tất yếu của kết cấu khung thép tiền chế
1.3 Các ảnh hưởng của sai số lắp dựng
Vấn đề lớn, đáng ngại nhất là hệ quả của các sai số chế tạo và lắp dựng gây ra đối với công trình xây dựng nói chung và đối với khung thép Zamil nói riêng Các ảnh
Trang 3hưởng này tùy mức độ có thể có trị số khác nhau, thậm chí có thể trở thành nguyên nhân gây sụp đổ công trình Các ảnh hưởng đến nội lực và chuyển vị của kết cấu có thể kể ra là:
- Trường hợp cột bị hụt (ngắn hơn so với yêu cầu): Trường hợp này tùy mức độ, nếu độ hụt lên đến một vài cm, thì thậm chí phải chế tạo lại cột Tuy nhiên, tại công trường, đa số các nhà thầu chọn giải pháp “ép kèo xuống” bằng cách dùng kích, dây néo để hạ thấp cao độ điểm nối kèo cho đến lúc nối được bu lông Cách làm này, nếu sai lệch là nhỏ thì cũng không đáng ngại, nhưng khi sai lệch đủ lớn sẽ khiến cho kèo (và
có thể là cả cột) bị rơi vào trạng thái ứng suất trước không mong muốn
- Trường hợp cột bị đội (dài hơn so với yêu cầu): Tương tự như trường hợp cột bị hụt, các nhà thầu chọn giải pháp “đẩy kèo lên”, để hạ nối kèo với cột
- Trường hợp các lỗ nối bu lông trên bản mã không đồng tâm: Đây cũng là trường hợp điển hình và thường gặp Khi các bản mã nối có lỗ chờ để nối bu lông qua, bị lệch nhau (khoảng vài mm) Công nhân lắp dựng thường sử dụng kích, xà beng để đưa được bu lông qua lỗ lệch đó Cách làm này khiến cho nội lực trong cấu kiện cột, kèo xuất hiện thành phần lực ngang (nằm ngoài mặt phẳng khung) Điều này cũng hết sức bất lợi, vì kết cấu khung Zamil được thiết kế làm việc theo mô hình phẳng Tuy khung vẫn có khả năng chịu lực ngang, nhưng yếu hơn nhiều so với mặt phẳng khung chính
2 Nghiên cứu ảnh hưởng của sai số lắp đặt tới nội lực và chuyển vị của kết cấu khung thép nhà công nghiệp
2.1 Mô hình hóa sai số lắp đặt trong phần mềm Vn3DNC
Thực chất các sai số lắp dựng chính là các chuyển dịch trước tại nút liên kết, đây cũng có thể xem là một dạng tải trọng (tải trọng nút) Trị số và hướng của tải trọng này được xác định thông qua hai tham số là độ cứng của nút và trị số của chuyển dịch trước Theo lý thuyết phần tử hữu hạn (PTHH), độ cứng của nút được xác định thông qua việc “đóng góp” về độ cứng của các phần tử có kết nối tới nút đó Sau khi tính được
ma trận độ cứng tổng thể, trình tự thực hiện việc tính toán tải trọng quy nút của bài toán chuyển dịch trước như sau:
- Khai báo tên nút, hướng chuyển dịch trước, trị số của chuyển dịch trước;
- Tính toán ma trận độ cứng của từng phần tử và xây dựng ma trận độ cứng tổng
thể [K] cho toàn hệ kết cấu;
- Thiết lập và xác định vectơ tải trọng nút {Qm} (hệ tọa độ tổng quát);
a) Xác định trị số độ cứng của bậc tự do tương ứng với nút có chuyển dịch cưỡng
bức từ ma trận độ cứng tổng thể [K];
Trang 4b) Tính trị số tải trọng nút tương đương của chuyển dịch i, theo công thức:
P i = K i i
trong đó: P i - tải trọng nút tương đương; K i - độ cứng của bậc tự do tương ứng với
chuyển dịch trước; i - trị số chuyển dịch trước nút
Gán trị số P i vào vectơ tải trọng nút {Qm}
Sau khi chuyển đổi ảnh hưởng của chuyển dịch trước, thành các tải trọng quy nút Việc giải bài toán kết cấu được thực hiện bình thường như đối với các bài toán khác
2.2 Trình tự giải bài toán
Trình tự giải bài toán khung thép có chuyển dịch trước, thực hiện như sau:
- Khai báo các phần tử khung là các phần tử thanh (phẳng hoặc thanh không gian);
- Khai báo các nhóm tải trọng (tĩnh tải, hoạt tải ), và các trị số thành phần cho mỗi nhóm tải trọng;
- Tính toán trị số tải trọng tương đương của các chuyển dịch trước sau đó gán các trị số này vào nhóm tĩnh tải (là nhóm tải trọng sẽ có mặt trong mọi trường hợp tổ hợp);
- Tính toán nội lực, chuyển vị và ứng suất cho các phần tử, nút;
- Kiểm tra bền, ổn định cho kết cấu theo các tiêu chuẩn, quy phạm hiện hành;
- Tính toán và bố trí các liên kết (hàn, bu lông, đinh tán ) các cấu kiện;
- Đánh giá tổng thể và điều chỉnh thiết kế (nếu cần)
2.3 Phần mềm chuyên dụng Vn3DNC
Bài báo sẽ sử dụng một phần mềm chuyên dụng do tác giả tự thiết kế và lập trình mang tên Vn3DNC để nghiên cứu, thử nghiệm số Đây là phần mềm dạng thương phẩm,
có giao diện đồ họa, có các hàm công cụ tiện dụng, mạnh mẽ và đa dạng (Hình 2)
Hình 2 Màn hình giao diện chính của Vn3DNC
Trang 5Vn3DNC là chương trình tính kết cấu không gian dạng tổng quát, chương trình cho phép khai báo và làm việc với các dạng phần tử thanh, phần tử vỏ, phần tử khối; có thể tính giải bài toán chịu tác dụng của tải trọng tĩnh và động Vn3DNC có thể tính kết cấu khung thép, khung bê tông cốt thép BTCT, bể chứa có sườn tăng cường, kết cấu tấm, vỏ hoặc khối; kết cấu khung nhà cao tầng kết hợp tấm tường, sàn chịu lực Vn3DNC được viết bằng ngôn ngữ C++
, trên cơ sở các thuật toán của lý thuyết PTHH Chương trình có giao diện tiếng Việt với hệ thống Menu + Toolbar tiện sử dụng,
có khả năng phát sinh số liệu nhanh, chính xác, có phần thể hiện đồ họa phong phú, sinh động, dễ dàng chỉnh sửa và in ấn
3 Thử nghiệm số với bài toán khung thép Zamil
3.1 Mô tả công trình thử nghiệm
Công trình thử nghiệm số là một công trình thực, đó là nhà xưởng A1 thuộc nhà máy Quốc phòng Z, chuyên sản xuất các vật liệu ngụy trang Địa điểm xây dựng công trình là quận Long Biên - TP Hà Nội Phần khung chịu lực chính của nhà xưởng được làm bằng thép tổ hợp, dạng khung Zamil Mái nhà xưởng được lợp bằng tôn dày 0,45, với độ dốc thoát nước là 15% Mặt đứng khung chính K1 được mô tả như hình 3
RF2A
i = 15 %
Tuêng g¹ch C1
RF1A RF1A
C1
Tuêng g¹ch
i = 15%
RF2A
Hình 3 Mặt đứng khung chính K1
Khung thép K1 được tính toán theo sơ đồ khung phẳng, chân cột có liên kết với móng BTCT theo sơ đồ khớp Các tải trọng tác động lên kết cấu khung gồm có: tĩnh tải, hoạt tải, gió trái, gió phải, các tải trọng này được khai báo theo nhóm để sau đó có thể tổ hợp tải trọng hoặc tổ hợp nội lực theo quy định của TCVN 2737-1995:
Nhóm 0: Tĩnh tải: gồm trọng lượng bản thân kết cấu + tôn, xà gồ;
Nhóm 1: Hoạt tải sửa chữa: tính toán với trị số tải tiêu chuẩn là 30 kG/m2;
24000
Trang 6Nhóm 2: Gió đẩy trái: theo TCVN 2737-1995, khu vực Hà Nội (95 kG/m2); Nhóm 3: Gió đẩy phải: theo TCVN 2737-1995, khu vực Hà Nội (95 kG/m2)
Từ các nhóm tải trọng cơ bản trên, ta khai báo các nhóm tải trọng tổ hợp để phần mềm Vn3DNC tính toán nội lực, chuyển vị và ứng suất cho các bài toán khảo sát: Trường hợp 1 (TH1): Tĩnh tải + hoạt tải sửa chữa (0 + 1);
Trường hợp 2 (TH2): Tĩnh tải + gió đẩy trái (0 + 2);
Trường hợp 3 (TH3): Tĩnh tải + gió đẩy phải (0 + 3)
3.2 Giải bài toán
3.2.1 Mô tả bài toán
Bài toán 1: Thiết kế khung theo mô hình truyền thống
Phần số liệu kết cấu, tải trọng, liên kết được nhập và tính toán như một bài toán thiết kế thông thường Các kết cấu cột, kèo được mô tả như các phần tử thanh 3D (nhưng giải theo mô hình phẳng); các tải trọng được khai báo theo nhóm và tổ hợp tải trọng như đã trình bày trên đây Các kết quả tính toán của bài toán 1 được sử dụng làm đối chứng, với kết quả nghiên cứu của bài toán 2
Bài toán 2: Thiết kế khung có kể đến sai số lắp dựng
Do khuôn khổ có hạn nên bài viết chỉ xét 01 trường hợp, sai số khi lắp dựng cột không thật sự thẳng đứng Bài toán 2, được giải với nhiều “lượt” tính, mỗi lượt tính có sai số lắp dựng khác nhau Các kết quả sau mỗi lượt tính sẽ được lưu lại để so sánh đánh giá với kết quả của bài toán 1 Bài toán 2 sẽ sử dụng lại toàn bộ số liệu kết cấu, tải trọng đã nhập từ bài toán 1, nhưng trong số liệu tính toán có thêm một lượng nhất định các trị số “chuyển dịch trước” là sai số do lắp dựng
Bảng 1 Độ lệch đỉnh cột X tương ứng với mỗi lượt tính của bài toán 2
Lượt tính 1 Lượt tính 2 Lượt tính 3 Lượt tính 4 Lượt tính 5 Lượt tính 6
x = -0,03m x = -0,02m x = -0,01m x = +0,01m x = +0,02m x = +0,03m
3.2.2 Giải bài toán 1: Thiết kế khung theo mô hình truyền thống
a) Sơ đồ đánh số nút b) Sơ đồ đánh số phần tử
Hình 4 Sơ đồ đánh số nút, số phần tử
Trang 7a) Tĩnh tải
(nhóm 0)
b) Hoạt tải sửa chữa (nhóm 1)
c) Gió đẩy trái (nhóm 2)
d) Gió đẩy phải (nhóm 3) Hình 5 Sơ đồ tính của các nhóm tải trọng cơ bản
a) Chuyển vị do TH1 gây ra b) Chuyển vị do TH2 gây ra c) Chuyển vị do TH3 gây ra
Hình 6 Kết quả tính toán chuyển vị theo phương án thiết kế truyền thống
a) Mô men do TH1 gây ra b) Mô men do TH2 gây ra c) Mô men do TH3 gây ra
Hình 7 Kết quả tính toán mô men theo phương án thiết kế truyền thống
3.2.3 Giải bài toán 2: Thiết kế khung có kể đến sai số lắp dựng
a) Độ lệch x=-0,010
b) Độ lệch x=0,010 Hình 8 Minh họa sơ đồ tính khung K1 sau khi khai báo độ lệch x
Bài toán 2 giải nội lực khung K1 với giả thiết đỉnh cột bị lệch trái (hoặc lệch phải) với
độ lệch x Độ lệch đỉnh cột được khảo sát với trị số biến thiên X = -30 mm +30 mm,
Trang 8bước khảo sát của mỗi lượt tính là 10 mm (tổng cộng có 06 lượt tính)
a) Mô men do TH1 gây ra b) Mô men do TH2 gây ra c) Mô men do TH3 gây ra
Hình 9 Kết quả tính mô men của bài toán 2 (lượt tính 1, x=-0,030)
a) Mô men do TH1 gây ra b) Mô men do TH2 gây ra c) Mô men do TH3 gây ra
Hình 10 Kết quả tính mô men của bài toán 2 (lượt tính 2, x=-0,020)
a) Mô men do TH1 gây ra b) Mô men do TH2 gây ra c) Mô men do TH3 gây ra
Hình 11 Kết quả tính mô men của bài toán 2 (lượt tính 3, x=-0,010)
a) Mô men do TH1 gây ra b) Mô men do TH2 gây ra c) Mô men do TH3 gây ra
Hình 12 Kết quả tính mô men của bài toán 2 (lượt tính 4, x= 0,010)
a) Mô men do TH1 gây ra b) Mô men do TH2 gây ra c) Mô men do TH3 gây ra
Hình 13 Kết quả tính mô men của bài toán 2 (lượt tính 5, x= 0,020)
a) Mô men do TH1 gây ra b) Mô men do TH2 gây ra c) Mô men do TH3 gây ra
Hình 14 Kết quả tính mô men của bài toán 2 (lượt tính 6, x= 0,030)
Trang 93.3 So sánh và đánh giá
Bảng 2 Tổng hợp các kết quả tính từ bài toán 1 và bài toán 2 (chỉ tổng hợp các kết quả do tải trọng tổ hợp gây ra)
TT Đại lượng
thống kê
Đơn
vị tính
Bài toán 1
Bài toán 2
Sai lệch (%)
Lượt tính
1
Lượt tính 2
Lượt tính 3
Lượt tính 4
Lượt tính 5
Lượt tính 6
x=
0,00m
x=
-0,03m
x=
-0,02m
x=
-0,01m
x=
+0,01m
x=
+0,02m
x=
+0,03m
1
Chuyển vị ngang
cực đại tại đỉnh cột
(dX tại nút 3)
mm 62,17 -92,78 -82,52 -72,25 72,43 82,69 92,96 49,52
2
Chuyển vị đứng
cực đại tại đỉnh kèo
(dZ tại nút 5)
mm -91,23 -95,16 -93,85 -92,54 -89,92 -88,61 -87,30 4,30
3
Lực dọc max tại
chân cột
(Nzmax tại nút 1)
kN 56,63 60,21 59,02 57,83 55,44 54,24 53,05 6,31
4
Ứng suất max tại
chân cột
(max tại nút 1)
MPa 9,97 10,60 10,39 10,18 9,76 9,55 9,34 6,32
5
Mô men max tại
đỉnh cột
(Mzmax tại nút 3)
kN,m 220,21 268,94 252,34 235,74 202,55 185,95 169,35 22,13
6
Ứng suất max tại
đỉnh cột
(max tại nút 3)
MPa -117,85 -178,64 -168,19 -157,74 -136,85 -126,40 -115,95 51,58
7
Mô men max tại
đỉnh kèo
(Mzmax tại nút 5)
kN,m 58,18 62,24 60,89 59,53 56,83 55,47 54,12 6,98
8
Ứng suất max tại
đỉnh kèo
(max tại nút 5)
MPa -118,37 -124,91 -122,73 -120,55 -116,19 -114,01 -112,05 5,52
Ghi chú: Các trị số in đậm và gạch chân là trị số được chọn để so sánh mức độ “Sai lệch”
Bảng 2 là kết quả so sánh bài toán 1 với các lượt tính của bài toán 2 về nội lực, chuyển vị và ứng suất của một số nút (vị trí) đại diện của khung K1 Từ kết quả thể hiện trên bảng 1, ta có các nhận xét, đánh giá như sau:
- So với kết quả của bài toán 1 (khi độ lệch x = 0,00 m), các trị số về nội lực, ứng suất của bài toán 2 đều có sự thay đổi đáng kể khi có độ lệch x 0;
- Khi trị số độ lệch x càng lớn mức độ ảnh hưởng đến nội lực và chuyển vị của kết
cấu càng nhiều Khi độ chuyển dịch trước là 30 mm ứng suất tại đỉnh cột tăng 51,58%; chuyển vị ngang tăng 49,52%, đây là một lượng gia tăng rất đáng kể và đáng ngại
Trang 104 Kết luận
Các nghiên cứu về lý thuyết và thử nghiệm số bằng phần mềm Vn3DNC cho thấy tầm quan trọng của các sai số lắp dựng đến chất lượng chịu lực của kết cấu khung thép Các sai số này nếu không được khống chế và xử lý tốt có thể gây nên hiện tượng ứng suất trước trong khung thép, ứng suất trước này nếu được cộng tác dụng với ứng suất do ngoại tải gây ra thì có thể sẽ khiến cho trạng thái chịu lực của kết cấu bị vượt giới hạn, thậm chí dẫn đến phá hoại kết cấu
Kết quả nghiên cứu cho thấy trong các thiết kế kết cấu khung thép nhà tiền chế, cần phải có các khống chế độ lệch cho phép khi lắp dựng kết cấu tại hiện trường
Tài liệu tham khảo
1 TCXDVN 170-2007, Kết cấu thép - Gia công, lắp ráp và nghiệm thu, yêu cầu kỹ thuật
2 TCVN 2737-1995, Tải trọng và tác động - Tiêu chuẩn thiết kế
3 TCVN 5575-2012, Kết cấu thép - Tiêu chuẩn thiết kế
4 Nguyễn Quốc Bảo, Trần Nhất Dũng (2013) Phương pháp phần tử hữu hạn (tập 1, 2)
Nxb Khoa học và Kỹ thuật
5 Nguyễn Văn Yên (chủ biên) Tính toán kết cấu thép Trường đại học Bách khoa Thành phố
Hồ Chí Minh
INFLUENCE OF INSTALLATION DEVIATION ON INTERNAL FORCES AND DISPLACEMENTS OF STEEL FRAME STRUCTURE
FOR INDUSTRIAL BUILDINGS
Abstract: The results will be used to recommend the similar structure. The article evaluates the effect of installation deviation among Zamil Steel pre-engineered frame components By using software Vn3DNC developed by author according to finite element method theory, numerical results have qualitatively and quantitatively pointed out the influence
of those deviation on internal forces and displacements of steel frame structure for industrial buildings The results will be used to recommend the similar structure
Keywords: Internal force; displacement; installation deviation; steel frame structure;
industrial building
Ngày nhận bài: 20/8/2018; Ngày nhận bản sửa lần cuối: 08/10/2018; Ngày duyệt đăng: 18/01/2019